奶牛个体识别最新研究成果综述关键词：奶牛; 个体识别; 识别方法; 生产应用概况;Abstract：To evaluate the development of individual identification of dairy cows during production in recording milk yield,monitoring feeding activity,monitoring bed behavior,tracking activity track and other production projects,the literature related to methods and application of dairy cow identification 2008-2018 are retrieved by using dairy cow;,individual recognition;,identification method; and production application; as keywords.The results show that:1) Compared with traditional methods,biometrics identification could overcome environmental interference in many aspects to reduce harm to individual cows.2) Currently,intelligent identification technology associated with the monitoring of cow behavior could comprehensively monitor individual health status and production performance.3) China has made great progress in computer vision,which builds a solid foundation for intelligent identification of individuals.In the future,the research on individual identification technology should focus on improving the environmental adaptability and system compatibility to provide basis for the establishment of a complete automatic cow monitoring system.Keyword：dairy cow; individual recognition; identification method; production application;随着集约化牧场的不断增多,精准畜牧业逐渐成为牧场高效管理理念,大数据化管理系统可以为集约化牧场提供关键生产指数和早期预警1。个体识别是实现牧场数字化和智能化管理的基础,高效的牧场管理需要准确掌握群体的动态信息,分析牧场管理数据的前提是准确收集相关个体数据。传统牧场对奶牛个体识别的方式以人工观测为主,虽然仍适用于存栏数较小的牧场,但对于规模较大的牧场,就会产生工作效率较低、劳力强度过大的问题,不适合集约化牧场的需求2。除人工观察之外,当前应用较多的个体识别方法是无线射频技术(Radio frequency identification,RFID),该技术主要通过电子耳标与固定式或移动式的信号收发器读取奶牛的个体编号,多应用于记录产奶信息及寻找奶牛等方面。2012年来,随着成像技术和模型训练领域的不断发展,图像生物识别技术在农业生产中的应用也变得越来越广泛,该技术在奶牛生产中健康评估、发情监控、行为活动等得到应用。基于图像生物识别技术的在个体识别方面有着准确性高和成本低廉的特点。奶牛个体识别可为牧场记录采食信息、产奶量、行为活动等提供了相关数据支撑,并结合计算机系统进行管理优化与决策部署。为了解奶牛个体识别在生产中的应用现状,本研究拟以奶牛;、个体识别;、识别方法;和生产应用;为关键词,对20082018年的研究论文进行检索,根据识别过程的不同特点对三类识别方法,即人工机械识别、接触式电子识别和图像生物识别进行归纳和总结,并简述了现代生产中智能化个体识别与其他生产因素的相互关联和管理应用,以期为我国智能化养殖提供参考依据。1 、个体识别方法获取动物个体编号是许多管理系统的第一步,每种方法都有不同的适用场景。准确、高效的识别动物个体需要具备易于操作、时效性强、特征突出、以及无害处理等基本特点。在建立识别系统时需要考虑收集信息过程的可靠性、高效率和准确性,以防止个体信息的丢失与错录。根据其不同特点和管理目标,识别方法可以被分为三类,即:人工机械、接触式电子识别和生物识别。1.1、 人工机械识别该方法需要在动物身体做相应标记,再由饲养员根据不同生产需要寻找特定目标。一种标记方法是在动物身体做永久性标记,包括刻耳和烙印。刻耳需要剪去动物耳朵边缘部分,通过耳朵上下左右不同位置的缺口确定分组或编号(图1(a);或者将编号纹于牛耳内侧3。烙印法用电热铁将编号印在身体上,或冷冻法利用不同色素将号码植入奶牛侧面区域(图1(b)。虽然永久标记法看似简单易行,但剪耳或热烙印都对奶牛产生巨大的伤害,尤其造成奶牛对饲养人员产生潜在的恐惧心理,不利于生产管理。此外,耳朵的延展性不强,可以标记的动物编号有限,所以并不适合大规模牧场4。而冷冻烙印会随着动物年龄的增大或者毛色的改变,号码会还原成近似牛毛的颜色,难以辨认。耳标(图1(c)是一种较为常见的个体识别方法,不但安装方便而且价格低廉,而且能够减小对动物的伤害,易于养殖户辨认,识别错误率低5。耳标的材质多为塑料或者金属,耳标表面可以标记为数字、条形码或者不同颜色,也可以内置电子识别芯片。但是在实际生产中经常存在耳标丢失、损坏的情况,Fosgate等6发现由于丢失情况时常发生,不适合长期使用耳标,因此在一个牧场里的水牛佩戴耳标2年后仍可识别的动物仅有21%。另外,耳标的使用也会感染一些疾病,一项研究发现,耳标引起的奶山羊发病率为3.3%,6.5%存在耳组织受损的情况。上述方法都需要人工识别奶牛编号,所以加大了劳动成本,在大规模牧场中显得费时费力。图1 常见人工机械识别个体方法3Fig.1 Common individual recognition methods of artificial machines31.2、 接触式电子识别射频识别技术通过无线电波识别或追踪目标,广泛应用在动物识别、门禁访问、停车服务、物联网跟踪等领域,该方法主要硬件组成包括RFID标签、应答器以及管理主机或者服务器,根据使用和技术标准可以分为耳标式、注射式和胶囊式7。在奶牛场中,耳标形式的RFID标签作为信号源较为常见,操作频率可分为高频(13.56 MHz)和低频(125.0134.5 kHz),高频(455 MHz,2.45 GHz,5.80 GHz)读取距离在20100 m,而低频(124 kHz960 MHz)提供的读取范围在0.33.0 m8。最近的研究使用超宽带信号(Ultra-wide band,1GHz)识别奶牛,其畜舍内的识别准确性高于高频和超高频信号,Porto的试验中超宽带信号在0.110 m的距离识别率为100%,在0.515 m的识别准确率为98%9。相较于其他传统识别方式,RFID标签可以记录大量数据,根据每头动物的不同编号,可以追踪从出生到被屠宰的全部信息。RFID可以配合终端服务器追溯个体的牧场信息、疾病情况以及生产情况,大数据能够帮助牧场提高信息的可靠性和实用性。RFID的工作原理并不依靠视觉识别个体,与传统方式相比降低了0.1%6.0%的识别错误率,从识别效率来看,理论上系统每秒可以读取1 000次标签信息7,10。然而RFID也存在一些安全隐患,RFID系统由标签、通信电路、应答机、网络、终端服务器组成,容易发生标签内容被窜改、系统内容显示错误或服务器受到网络安全攻击等情况11,12。同时,整套系统的成本较高,市场中根据不同应用需求,售价在几万到十几万不等。另外,根据实际现场的反馈,RFID会受到不同电磁环境的影响,应用效果差别巨大。标签功率、铁制围栏、降温风扇、电路质量等因素都会影响应答器接收电磁波的效果,导致读取距离缩小进而影响数据信息的采集。另一种电子识别方式是可穿戴式无线传感器技术,其中以奶牛佩戴项圈或腿环较为常见,在这些装备中安装有传感器,通过无线网络传至终端服务器。这类传感器可以检测到动物行为变化:测定加速度、角速度、咀嚼声音或压力;测定舍内环境变化;测定温度、湿度或者气压等。对于个体识别来说,由于传感器需要为单独奶牛进行适配,所以个体与数据之间具有匹配的唯一性,因此其个体识别率为100%9,13。1.3、 图像生物识别生物识别需要提取动物个体行为或生理特征,根据个体特征的唯一性,结合计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理进行识别动物个体的面部、声音、指纹等。与其他传统方法相比,该技术的特点不需要为动物佩戴多余设备或标记识别信息14。生物识别过程包括:读取标签,传入服务器,标签处理,标签分类,匹配和存储。生物识别技术提高了个体识别的安全性和自动化识别的准确性和稳定性,具有适用广泛(覆盖各行各业)、性能卓越(准确、高效和鲁棒性强)及错误率低的特点。目前主要的生物识别方式是利用图像信息技术对面部、鼻镜、和眼部等特征部位进行解析15,16。奶牛鼻镜纹路犹如人体指纹一般,个体之间具有特殊的纹理和突起,不会随着时间推移而发生重大改变,可以作为识别个体身份的有效特征。早期由于图像像素较低、数据不充分、模型匹配度差等原因,在30头动物中验证期其识别准确率只有66.6%17。Noviyanto等18采集了8头奶牛的120张鼻镜图像,提取奶牛鼻孔之间的鼻镜部分(图2),将图像分辨率调整至200×200 PPI,增强对比度后,准确度可以达到90%。图2 奶牛鼻镜纹路18Fig.2 Nasal mirror pattern of cows18奶牛眼部主要对虹膜和视网膜血管进行特征性识别,虹膜属于眼球中层结构,由于虹膜特征点较多,可以不受样本角度和尺寸变化的影响。Lu等19的试验中,60张分辨率为320×240 ppi的虹膜图片实现了98.33%的识别准确率。视网膜存在于眼球内部,识别过程需要扫描眼底的血管图像,在视网膜的图像上可以看到两种类型的血管,其中毛细血管不仅特征不明显,还容易受到外界干扰(比如受到应激时眼部充血)20。而视网膜上主要血管的特征比较明显,不易受到外界干扰,可以作为身份识别的特征。Allen等21采集了869头牛的视网膜样本进行个体识别,取双眼视网膜图像共1 738张,其识别准确率为98.3%(图3)。图3 肉牛视网膜血管模式图21Fig.3 Retinal vascular patter